IZDELAVA OPTIČNIH VLAKEN PO MCVD METODI Marko Kralj, dipl. ing., Iskra Elektrooptika, SPE Optične Komunikacije. Stegne 7, 61210 Ljubljana Optical fiber manufacturing by MCVD method ABSTRACT Optical fiber manufacturing is presented. The mechanism and chemistry of the MCVD process are described in detail. POVZETEK V članku je opisano izdelovanje optiCnih vlaken po MCVD metodi. Natančneje sta obdelana hemizem in mehanizem nanašanja sintetičnega stekla na notranjost kremenove cevi. 1 UVOD Optične komunikacije rabijo za prenos informacij {računalniških podatkov, telefonskih ali video signalov) na velikih razdaljah. Namesto z električnimi signali se pošilja informacije s pomočjo svetlobe. Zvočne ali slikovne signale se najprej predela v električne signale, le-te pa v pulze svetlobe, ki potem potujejo po optičnih vlaknih do sprejemnika, kjer se signali predelajo nazaj v prvotno obliko. Iz električnih signalov dobimo optične tako, da jih pripeljemo na LED diodo ali na laser, ki utripata v ritmu signalov. Pri sprejemu pa se optične signale pretvori nazaj v električne s fotodiodo. Optično vlakno Je tanka nitka iz kremenovega stekla, po kateri potuje svetloba. V njeni sredini je lomni količnik večji kot na njenem robu, tako da je žarek zaradi totalnega odboja svetlobe ujet vanjo in po njej potuje do sprejemnika. Slika 1. Potovanje optičnega žarka po optičnem vlaknu Optično vlakno ima vrsto prednosti pred drugimi načini prenosa podatkov, Njihov premer je 125 jim, bakrene žice imajo navadno premere večje od 1 mm. Zato se v kabel enakih zunanjih dimenzij da vgraditi desetkrat več optičnih vlaken kot pa bakrenih vodnikov. Tudi njihove prenosne karakteristike so izredne: imajo veliko pasovno širino, kar omogoča prenos velikega števila informacij po enem vlaknu in obenem so izgube signala zelo nizke, zato je potrebno pri optičnih komunikacijah regenerirati signal šele na razdaljah, ki so večje od 100 km (pri koaksialnem kablu 6 km). Druge prednosti so: neobčutljiv Je na elektromagnetne motnje in strele, zato se uporablja v industrijskem okolju, ne generira isker, zato zanje ni potrebna posebna zaščita, kadar se uporablja v bližini nevarnih snovi, ne da se mu "prisluškovati" in je odporen na visoke temperature. mmmf' Hmmm J" R»dl.| (»ml dflI ta n -in Raa IJ (mm! Slika 2. Radialni potek lomnega količnika v enorodov-nem vlaknu (zgoraj) in večrodovnem vlaknu (spodaj) Teorijo valovoda je razvil že leta 1879 angleški fizik Rayleigh, leta 1910 pa sta Hondros in Debye objavila članek, ki je opisovat dieleklrični valovod, kar v bistvu je optično vlakno. Vendar pa tedanja stopnja tehnologije ni omogočala izdelave le-tega. Leta 1951 je uspelo izdelati prva optična vlakna, ki so Jih uporabili v medicini za endoskope. Z izumom rubinovega laserja 1. 1960 in z objavo modalne teorije dielektričnega valovoda (Snitzer I. 1961) pa se Je pojavila možnost uporabe optičnih vlaken v telekomunikacijah. Po devetih letih razvoja Je firma Corning izdelala optično vlakno, ki Je imelo slabljenje 20 dB/km. Dve leti kasneje pa so izdelali prvo uporabno optično vlakno. Njegovo slabljenje je bilo 4 dB/km, današnja večrodovna vlakna pa imajo nižje od i dB/km, enorodovna vlakna pa pod 0.2 dB/km (teoretična meja je 0.14 dB/km za kremenovo steklo). V drugi polovici sedemdesetih let se je začela širša komercialna uporaba, pravi razcvet (ki še traja) pa je doživela industrija optičnih vlaken v drugi polovici osemdesetih let. V Sloveniji izdeluje optična vlakna Iskra Elektrooptika. Le-taje sledila razvoju optičnih komunikacij že od leta 1973- Po študiju in Izpopolnjevanju mag. Iztoka Klemenčlča v tujini se je leta 1979 začel razvoj tehnologije izdelave optičnih vlaken In Čez dve leti je bilo prvo izdelano. Leta 1984 so bila naša vlakna uporabljena na zimskih olimpijskih igrah v Sarajevu. Iz razvoja smo polagoma prešli na pilotno proizvodnjo in ieta 1988 so vlakna zadoščala vsem mednarodnim standardom (lEC & CCITT), Že leto poprej pa se je začelo postavljati proizvodnjo v industrijskem merilu, stekla pa je spomladi 1989. Te zmogljivosti nam omogočajo izdelavo vseh vrst optičnih vlaken na osnovi lastnega znanja, kar nam omogoča nastop na mednarodnih trgih brez kakršnihkoli licenčnih omejitev, s čimer se lahko pohvali le dvanajst držav. 2 IZDELOVANJE OPTIČNIH VLAKEN Optična vlakna izdelujemo v dveh fazah: najprej Izdelamo surovec, ki ga nato potegnemo v vlakno. Surovec se naredi z nanašanjem sintetičnega stekla na stekleno ali keramično podlago. To nanašanje je v bistvu CVD postopek, ki je prilagojen izdelavi optičnih vlaken. Razlikujemo dve vrsti CVD (chemical vapor deposition): nizkotlačno, ki jo uporabljamo za izdelavo tankih plasti In atmosfersko, katere modificirana verzija se uporablja za Izdelavo optičnih vlaken. Prl prvi v vakuumu (0.001 do 1 mbar) /1/ uvajamo nizke koncentracije par organokovinskih spojin ali kovinskih halidov, ki zreagirajo na segretih podlagah ali v njihovi bližini. Nastane enakomerena plast nanosa. Reakcija je heterogena (na površini podlage) ali homogena (v parni fazi). Hitrost nanašanja je majhna, tvorijo se molekularni sloji kristalne trdine na relativno majhni ploskvi. Pri drugi poteka proces pri atmosferskem tlaku. Pri nanašanju na steklo zreagira zmes kloridov In nosilnega kisika v parni fazi - reakcija je homogena. Nastanejo submikronski steklasti delci, ki se sprijemajo v čadaste kosme in se usedajo na podlago. Od temperature podlage je odvisno, ali se delci pretalljo In osteklijo ali pa nastane čadast nanos. Koncentracije reaktantov so veliko večje, zato je hitrost nanašanja za več kot velikostni razred večja od nizkotlačnega CVD. Zategadelj so vsi štirje komercialni postopki za Izdelovanje surovcev za Izdelavo optičnih vlaken osnovani na tem principu 121. Surovec je 15 do 75 mm debela in 50 do 150 cm dolga steklena palica, katere jedro Ima višji lomni količnik kot njena zunanja stena. Iz razvoja v proizvodnjo so uspešno prešli štirje načini izdelovanja surovcev; Outside Vapor Deposition (OVD), kl ga je razvil Corning, Vapor Axial Deposition (VAD), razvit pri Nippon Telegraph and Telephone (NTT), Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD), plod razvoja v Bell Laboratories (AT&T) in Plasma Chemical Vapor Deposition (PCVD), ki so ga Iz MCVD izpeljali pri Phillpsu 121. Pri OVD in VAD postopku sintetično steklo nanašamo z zunanje strani na keramično zasnovo. Razlika med njima je ta, da pri prvem nanašamo plast za plastjo na keramično palico, pri drugem pa surovec raste iz zasnove v aksialni smeri. Surovca sta kredasta In ju po nanašanju ostekllmo (vitrificiramo) v CI2 atmosferi pri temperaturi 1000°C. Ta dva procesa Imata veliko hitrost nanašanja, zato tudi dajeta velike dolžine vlaken. Uporabljata se skoraj izključno za Izdelavo eno-rodovnih vlaken za telekomunikacijske (PTT) kable. KREOAST SUROVEC r^. KBEDAST sunovec - PEČ (a) OSTEKUEN ^^ SUBOVEC (b) Ol Ml (C) Slika 3. Postopki izdelovanja surovcev: a) OVD. b) VAD in C) MCVD Za MCVD in PCVD je značilno, da steklo nanašamo na notranjo steno cevi. Po končanem nanašanju stekleno cev pretalimo v palico s plameni, ki dosežejo temperaturo 2200°C-. gorilnik počasi potuje ob cevi, ki je zmehčana in jo površinska napetost krči. Razlika med njima je ta, da pri prvem segrevamo cev z vodik -kisikovim plamenom, pri drugem pa s plazmo. Dobra lastnost MCVD procesa je čistost, saj se nanašanje odvija v cevi. Prednost tega procesa pred VAD in OVD je sorazmerno enostavno in ponovljivo dopiranje stekla. Zato s tema dvema postopkoma izdelujemo vlakna s para-boličnim potekom lomnega količnika (graded index), ki se uporabljajo v kablih za računalniške mreže. Hitrost nanašanja je približno za polovico manjša kot pri prvih dveh postopkih, vendar pa ni treba sin-tetizirati celotnega surovca, temveč samo jedro s spremenljivim lomnim količnikom. Z oblačenjem MCVD surovca v dodatno cev ali pa z nanosom dodatnega stekla po VAD metodi dosežemo enake dolžine enorodovnega vlakna kot pri prvih dveh metodah. Večina evropskih proizvajalcev uporablja to metodo za izdelovanje optičnih vlaken. Druga faza je vlečenje vlakna iz surovca. Surovec navpično spuščamo v peč, ki se nahaja na vrhu vlečnega stolpa. Ta peč ima ozko cono, segreto na približno 2000''C (nad zmehčiščem stekla). V tej coni nastane iz debelega surovca steklena nitka, ki Izteka iz peči skozi odprtino na njenem spodnjem delu. Najprej se zaradi visoke temperature steklo zmehča in s preforma steče kapljica, ki potegne za seboj tanko stekleno nitko (podobno, kot steče med z žlice). 2 enakomernim vlečenjem te nitke nastaja kontinuirna dolžina vlakna. Pod pečjo se na vlakno nanese akrilat-na smola, ki ga ščiti pred mehanskimi poškodbami. S hitrostjo navijanja vlakna na kolut določamo njegovo debelino. Le-to merimo z laserskim merilnikom, hitrost vlečenja pa nastavljamo s povratno zanko glede na debelino vlakna. Surovec V Pse Merilnik debeline Nanos akrilatrw zašitte . Utriev«n|« zaSiHs z UV svetlobo Kolut —y\\. * ^ —- Slika 4. Vlečenje vlakna iz surovca 12 3. MODIFICIRAN CVD POSTOPEK (MCVD) MCVD postopek je najbolj razširjen način izdelave surovcev. Pri njem na notranjo stran nosilne cevi nanašamo plast za plastjo sintetično steklo. V notranjost cevi uvajamo pare reagentov v kisiku, ob njeni zunanji steni pa potuje gorilnik z vodik - kisikovim plamenom, ki jo pregreva na 1700 - IQOO^C. Reagenti zreagirajo v vroči coni ob gorilniku v pregretem delu cevi. Submikronski delci, ki so nastali pa se usedajo na hladnejšo notranjo steno cevi niže od gorilnika. Deici se gibljejo in usedajo zaradi temperaturnega gradienta, ki je ob gorilniku. Ta način nanašanja se imenuje termoforeza. Ko pripotuje gorilnik do nanosa se ob plamenu prašna plast, ki se je usedla na notranjo steno cevi, pretali in po ponovni ohladitvi nastane iz nje nekaj deset mikrometrov debela plast stekla. Ta postopek ponavljamo pri različnih temperaturah s spremenjenim razmerjem reagentov, odvisno od vrste vlakna, ki ga proizvajamo. Da dosežemo predpisano enakomernost plasti, je ves postopek voden računalniško. Ko je naneseno predpisano število plasti, povišamo temperaturo plamena in obenem znižamo nadtlak v cevi, Le-ta se zato zmehča in površinska napetost jo potegne navznoter. Iz cevi nastane steklena palica (surovec) s povišanim lomnim količnikom v jedru. 3.1 MEHANIZEM PROCESA Oksidacija reagentov v steklaste delčke pri visokih temperaturah je srčika MCVD procesa. Del teh delcev se termoforetsko nanese na stene, ostanek pa odleti iz cevi zaradi konvekcije /3/. Steklasti delci, ki nastanejo iz reakcije kloridov v okside nekaj centimetrov pred gorilnikom so veliki nekaj nm in lebdijo v nosilnem plinu. Pri prehodu vroče cone gorilnika se zaradi Brownovega gibanja zaletavajo in sprijemajo (koagulirajo) v čadaste kosme, ki dosegajo velikosti do 0.2 |j.m. Sprijemanje je odvisno od viskoznosti delcev, na katero vplivamo z dodajanjem fosforjevega (V) oksida /2/. Tok plina se z oddaljenostjo od gorilnika ohlaja zaradi prenosa toplote na steno cevi. Večina nanesenih delcev se zaradi termoforeze usede na nosilno cev kakih 20 do 30 cm niže od trenutnega položaja gorilnika v približno 5 cm širokem pasu, dlje od tega pa je le še malenkostno usedanje delcev zaradi Brownovega gibanja /3/. Termoforeza je pojav, pri katerem dobi v plinu lebdeč delec pospešek v smeri negativnega gradienta temperature. Do tega pride zato, ker imajo molekule plina, ki se zaletavajo v delec iz nasprotnih strani, različne povprečne hitrosti zaradi različne temperature 121. Delec zato občuti silo, ki ga pospešuje v negativni smeri gradienta temperaturnega polja^ Da je termoforeza učinkovita, mora biti velikost gradienta temperature nad 200 K/cm. Hitrost, ki jo delci dobijo zaradi termoforeze, se da izračunati iz kinetične teorije plinov in je podana z enačbo /61: C = - 3vVT(r.2) 4(1 +TTA/8)T(r, 2) (1) GeCU + 02^ GeOa + 2 CI2 (3) c je termoforetska hitrost delcev, v kinematska viskoznost, T temperatura v izbrani točki, A pa je akomo-dacijski koeficient. Negativni predznak nakazuje, da se delci gibljejo v smeri upadanja temperature. Ko pride gorilnik do nanešenih delcev, jih pregreje nad temperaturo zmehčišča stekla. Iz delcev nastane steklasta masa, ki se po prehodu gorilnika ohladi in nastane plast stekla. Razdalja (cm) Reakcijski izotermi P'®'"®" Razdalja